Wasserstoff-Effekt auf Piezo-Wandler (biofouling)

Wasserstoff-Effekt auf Piezo-Wandler (biofouling)

BIOFOULING

Unter Biofouling oder biologischem Bewuchs versteht man die Ansammlung von Mikroorganismen, Pflanzen, Algen oder Tieren auf benetzten Oberflächen, Geräten wie z.B. Wassereinläufen, Rohrleitungen, Rosten, Teichen und natürlich auch auf Messgeräten, wodurch der primäre Zweck dieser Gegenstände beeinträchtigt wird.

ANTIFOULING

Antifouling ist der Prozess, diese Ablagerungen zu entfernen bzw. deren Bildung zu verhindern. Es gibt verschiedene Lösungen, um Bewuchsvorgänge an Schiffsrümpfen und in See- oder Brackwassertanks zu reduzieren / zu verhindern.

Spezielle toxische Beschichtungen, die die Biofouling-Organismen abtöten; mit der neuen EU-Biozid-Richtlinie wurden viele Beschichtungen aus Gründen der Umweltsicherheit untersagt.

  • Ungiftige Anti-Haft-Beschichtungen, die das Anhaften von Mikroorganismen auf den Oberflächen verhindern. Diese Beschichtungen basieren meist auf organischen Polymeren. Sie setzen auf geringe Reibung und niedrige Oberflächenenergien.
  • Antifouling mit Ultraschall. Ultraschallwandler können bei kleinen bis mittelgroßen Booten im oder um den Rumpf herum montiert werden. Die Systeme basieren auf einer Technologie, die sich bei der Bekämpfung von Algenblüten bewährt hat.
  • Gepulste Laserbestrahlung. Die Plasma-Impuls-Technologie ist wirksam gegen Zebramuscheln und wirkt durch Betäubung oder Abtötung der Organismen mit Mikrosekunden dauernden, energiereichen Hochspannungsimpulsen auf das Wasser.
  • Antifouling durch Elektrolyse
  • Organismen können in einer Umgebung mit Kupferionen nicht überleben.
  • Kupferionen entstehen durch Elektrolyse mit einer Kupferanode.
  • In den meisten Fällen dient das Tankgehäuse oder der Schiffsrumpf als Kathode.
  • Eine in der Konfiguration eingebaute Kupferanode erzeugt eine Elektrolyse zwischen Anode und Kathode.

Die Elektrolyse kann durch Ballastwasser-Behandlungssysteme (Elektrolyse und UV-Anlagen), Korrosionsprozesse oder elektrische Potentialunterschiede zwischen verschiedenen Materialien auftreten.

AUSWIRKUNG DER ELEKTROLYSE AUF DEN PIEZO-WIDERSTANDSWANDLER

  • Ein Ergebnis der Elektrolyse sind positive Wasserstoff-Ionen
  • Aufgrund ihrer Polarisation bewegen sich die Wasserstoffionen in Richtung der Kathode (Tankgehäuse oder Schiffsrumpf), an der der Messwertaufnehmer installiert ist.
  • Bei direktem Kontakt zwischen Tank und Schallwandler dringen die Wasserstoffionen durch das dünnste Bauteil der Anode, nämlich das Diaphragma des Schallwandlers.
  • Nach dem Durchdringen der Wasserstoffionen durch die Membran nehmen die Wasserstoffionen ein Elektron auf und wandeln sich in molekularen Wasserstoff (H2) um. Der Wasserstoff reichert sich in der Füllflüssigkeit des Messwertaufnehmers an.
  • Hält dieser Effekt über einen längeren Zeitraum an, steigt die Wasserstoffkonzentration in der Füllflüssigkeit an und die Membran wird aufgebläht, wodurch der Sensor driftet und einen falschen Wert ausgibt.

FESTSTELLUNGEN

Von der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt in Zürich wurden Drucktransmitter aus Edelstahl untersucht, die während 2-3 Jahren in Ballasttanks von Schiffen eingesetzt wurden.

Ergebnisse

Die Bildung von Ablagerungen auf Edelstahlmembranen lässt sich in der Praxis nicht verhindern. Solange unter anaeroben Bedingungen Korrosionsprozesse an der Membran stattfinden können, muss immer mit der Bildung von Wasserstoff und dessen Eindringen in den Sensor gerechnet werden.

Aus diesem Grund sollte die Membran unter solchen Bedingungen aus einem korrosionsbeständigeren Material wie z. B. Titan gefertigt werden.

Spaltkorrosion tritt an Metallteilen bei Anwesenheit eines korrosiven Mediums in engen, nicht abgedichteten Spalten wie Überlappungen und in nicht durchgeschweißten Schweißnähten auf. Die treibende Kraft sind Konzentrationsunterschiede zwischen dem Medium im Spalt und dem Bereich außerhalb des Spalts, die durch die gehemmte Diffusion der Reaktionspartner im Spalt verursacht werden. Die mit der Konzentrationsdifferenz verbundene Potentialdifferenz führt zu elektrochemischer Korrosion im Spalt (Wasserstofftyp) oder seiner unmittelbaren Umgebung (Sauerstofftyp).

Aus diesem Grund sollte die Membrane mit dem Gehäuse verschweißt werden.

EMPFEHLUNG

Nach diesen Erkenntnissen setzt die STS Sensor Technik Sirnach AG seit über 10 Jahren erfolgreich piezoresistive, elastomerfreie Sensoren mit Gehäuse und Membran aus Titan für Anwendungen im Marine-, Brackwasser- und Meerwasserbereich ein.

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Anwendung von Druckmesstechnik in der Marineindustrie

Anwendung von Druckmesstechnik in der Marineindustrie

In der Marineindustrie und insbesondere beim Schiffbau kommt der Sensorik eine essentielle Rolle zu. Die zuverlässige und korrekte Messung von Druck, Temperatur und weiteren Grössen in verschiedenen Tanks ist eine wichtige Massnahme, um das Austreten von aggressiven Flüssigstoffen zu vermeiden, Wasserkreisläufe im Schiffsbetrieb zu kontrollieren und einen reibungslosen Transport von Fracht auf hoher See zu garantieren. 

Die Sensortechnologie, welche hier zum Einsatz kommt, muss diversen Ansprüchen gerecht werden. Hierzu gehört vor allem, dass das Material robust genug ist um langfristig verwendet werden zu können. Aber auch die Elektronik muss den harschen Bedingungen auf dem offenen Meer standhalten und somit eine hohe Beständigkeit aufweisen.

Überwachung von Trocken- und Flüssigladungen

Der Hauptbestandteil der Fracht besteht aus der zu verschiffenden Ware. Verschifft werden auf dem Seeweg sowohl Trocken- als auch Flüssigladungen. Von Trockenladungen spricht man, wenn Schüttgüter wie Getreide oder Futtermittel oder aber Stückgüter, die meist aus Containern bestehen, befördert werden. Gerade die Flüssigladung bedarf einer besonders sorgsamen und zuverlässigen Überwachung, denn hier werden zumeist sehr empfindliche Stoffe wie Benzin, Öl oder Gasöl transportiert. Um das Austreten von aggressiven Flüssigstoffen zu vermeiden und so Havarien mit schwerwiegenden, ökologischen Konsequenzen zu verhindern, müssen die eingesetzten Produkte besonders robust und zuverlässig sein. So muss auch die Sensorik hohen Ansprüchen gerecht werden.

Frisch- und Abwassertanks

Frisch- oder Trinkwasser wird auf Frachtschiffen entweder in speziellen Trinkwassertanks mitgeführt oder aber via Trinkwasseraufbereitung des Meerwassers gewonnen. Auch die Sammlung, Aufbereitung und Entsorgung von Schiffsabwässern in eigenen Tanksystemen muss durch entsprechende Technologie überwacht werden. Da diese Abwässer oftmals mit schädlichen Substanzen wie Ölen oder Reinigungsmitteln belastet sind, unterliegt die Verarbeitung zusätzlich bestimmten Auflagen. Sowohl Frisch- als auch Abwassertanksysteme werden mittels eingebauter Sensorik überprüft und überwacht.  So können die Systeme effizient kontrolliert werden, was eine optimale Wasserversorgung auf hoher See garantiert.

Ballasttanks

Ballasttanks sind ein wichtiger Bestandteil der Schiffsfahrt. Ohne die Beladung durch diese Tanks sind grosse Frachtschiffe mitunter zu leicht, sodass die Schiffsschrauben nicht tief genug im Wasser liegen. Um genug Tiefgang zu gewähren, werden die Ballasttanks mit Meerwasser gefüllt. Auch ein Ausgleich der Gewichtsverteilung eines beladenen Schiffes ist durch Ballasttanks möglich. Da die Tanks mit Salzwasser gefüllt werden, müssen sowohl die Materialien der Tanks als auch die der eingesetzten Sensorik robust und korrosionsfest sein. Auf hohe Zuverlässigkeit und Beständigkeit wird auch deshalb besonders geachtet, weil die Sensorik während der Seefahrt im laufenden Bordbetrieb nahezu unzugänglich ist und so ohne jegliche manuelle Wartung oder Überprüfung einwandfrei funktionieren muss.

Bild1:Installationsoptionen für die Füllstandsmessung

Spezielle Anforderung an die Sensorik

Für den Schiffbau haben sich im Laufe der letzten Jahre beständig entscheidende Neuerungen ergeben, auf die auch bei der Produktion der eingesetzten Sensorik entsprechend reagiert werden muss. Setzte man vor 15 Jahren beispielsweise noch auf die Robustheit von rostfreiem Stahl, weiss man heute, dass dieser beim Kontakt mit Salzwasser ab einer Temperatur über 21 Grad korrodiert. Stattdessen wird heutzutage Titan verwendet. STS hat die Problematik früh erkannt und als eines der ersten Unternehmen Titan als festen Bestandteil der Sensor-Technologie eingesetzt. Mittlerweile wird das überaus stabile und robuste Material standardmässig für eine Vielzahl von Drucktransmittern und Tauchsonden verwendet, da es selbst den widrigsten Umständen standhält.

Die Anforderungen an die Technologie ändern sich mit dem Wachstum und der Weiterentwicklung der Branche beständig. Was noch vor Kurzem als Standard galt, kann heute schon unzureichend sein. STS ist deshalb bemüht, die angebotene Sensorik ständig weiterzuentwickeln und so die Zuverlässigkeit und Genauigkeit auch bei erhöhten Ansprüchen der Industrie zu gewähren. Diese Flexibilität und Qualität zahlt sich aus: Die Retourquote ist verschwindend gering und Probleme entstehen eher durch menschliches Versagen als durch fehlerhafte Technik.

Zusammenarbeit mit AE Sensors

Seit nun mehr 27 Jahren arbeitet STS mit dem niederländischen Familienbetrieb AE Sensors zusammen. Gemeinsam werden Grosskunden der Schiffsindustrie mit Sensor-Technologie versorgt. Dank kompetenter Beratung und dem Einsatz von flexiblen Lösungen konnten unsere Kunden in kurzer Zeit ein enormes Wachstum verzeichnen. Mittlerweile werden auf Werften in aller Welt hochmoderne Schiffe gebaut, in denen Tauchsonden, Drucktransmitter und andere massgeschneiderte Lösungen von STS eingesetzt werden. Standardmässig werden vor allem ATM/N und ATM.1ST/N Sensoren aus Titan mit Teflonkabel verwendet.

Dank modularem Montagesystem kann die Installation der Sensoren variabel an entsprechende Anforderungen angepasst werden. Auch können unterschiedliche Messarten, wie beispielsweise Über- oder Absolutdruck, verwendet werden. Die hohe Flexibilität von STS und unserem Partner AE Sensors und die einwandfreie Qualität der Sensorik hat sich somit in langjähriger Zusammenarbeit mit unseren zufriedenen Kunden bewährt. 

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